盾構(gòu)法取水隧道在三門核電工程中的運用

陶靜　王凱

【摘 要】 三門核電一期工程冷卻水采用海水直流循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水取自三門灣大深潭海水。三門核電一期工程每臺機組配置一根直徑6200mm的自流引水管，自流引水管采用盾構(gòu)法取水隧道和多點式取水頭方案，每根隧道設(shè)置8個取水頭。文章從設(shè)計方案和施工工藝角度，描述盾構(gòu)法取水隧道和多點式取水頭在三門核電項目中的應(yīng)用，對國內(nèi)濱海核電項目具有借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】 三門核電工程 盾構(gòu)法取水隧道 多點式取水頭

1 引言

三門核電項目是我國全面引進(jìn)美國西屋公司開發(fā)的第三代壓水堆核電技術(shù)AP1000機組工程，項目共規(guī)劃建設(shè)6臺125萬千瓦的核電機組，總裝機容量為750萬千瓦，分三期建設(shè)。

三門核電一期取水工程在國內(nèi)核電領(lǐng)域首次采用盾構(gòu)法取水隧道加垂直頂升法取水頭施工工藝、其尺寸為目前電廠盾構(gòu)法取排水工程之最。三門核電一期盾構(gòu)法取水隧道的成功運用，為今后類似工程的設(shè)計拓寬了思路，具有很好的借鑒意義。

2 工程概況

2.1 廠址概況

三門核電廠位于浙江省東部、臺州地區(qū)的三門縣境內(nèi)，三門灣南岸貓頭山東北的大路灣——貓頭山嘴一帶。貓頭山嘴呈東西走向，三面環(huán)海，西面背靠貓頭山脈，向東偏北呈半島狀，伸入貓頭水道。東面和北面海域水深較大，在東面和北面分別形成兩個大小不同的深潭，北面較小的稱為小深潭，東面較大的稱為大深潭。

2.2 地質(zhì)概況

場地地貌單元屬于浙東丘陵濱海島嶼區(qū)，為天臺山脈余脈，屬山前濱海海積地貌。除近海岸地區(qū)為回填片石外，其余均為泥質(zhì)海灘，近海岸區(qū)地面標(biāo)高0.6～4.87m。取水勘察區(qū)地面標(biāo)高為-13.91～3.40m。取水頭位于廠區(qū)東北側(cè)深潭內(nèi)-15.0m等深線附近。

擬建場地抗震防設(shè)烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本加速度為0.05g，取水隧道場地類別為Ⅲ～I(xiàn)V類，取水隧道與循環(huán)水泵房銜接段為Ⅱ類，取水頭部屬Ⅳ類場地。

3 盾構(gòu)法取水隧道設(shè)計方案

3.1 盾構(gòu)法取水隧道

盾構(gòu)法施工在地下工程中應(yīng)用的相當(dāng)廣泛，尤其對于管線長、直徑大的軟土地質(zhì)更為適用。三門核電一期冷卻水采用海水直流循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水取自三門灣大深潭海水。根據(jù)AP1000機組特點，核電廠取水工程冷卻水量主要用于汽機凝汽器的冷卻水系統(tǒng)和輔機的冷卻水系統(tǒng)的供水水源、核島服務(wù)水（非安全級）、以及海水淡化車間原水，用水量較大。

根據(jù)工藝計算和經(jīng)過比較，綜合考慮到各方面因素，三門核電一期工程每臺機組配置一根直徑6200mm的自流引水管，引水管由循環(huán)水進(jìn)水隧道和取水頭組成。隧道起點中心標(biāo)高為-14.00m，然后向下以1.81%的縱向坡度向前推進(jìn)，至垂直頂升段改為平直線，終端隧道中心標(biāo)高為-27.00m。1#機取水管線長1025m，平面轉(zhuǎn)彎半徑為700m，2#機取水管線長968m，平面轉(zhuǎn)彎半徑為550m。

3.2 多點式大口徑垂直頂升法取水頭

一期工程采用多點式取水頭方案，每根取水隧道端部設(shè)置8只取水頭，每個垂直頂升立管截面尺寸為變長約2.44m×2.44m，取水頭直徑為4.5m。

多點式取水頭由盾構(gòu)法隧道取水管末端布置的多個方形鋼筋混凝土垂直頂升立管和多個圓形鋼制取水頭部組成。垂直頂升管施工位于已建隧道內(nèi)，鋼制取水頭部在陸地制作完成，在水下就位安裝。這種施工方式具有（1）能適應(yīng)復(fù)雜的場地條件及軟弱地基條件；（2）水下施工可不影響航道通航，也不受潮汐、風(fēng)浪、氣候變化等自然條件的影響，能夠“全天候”施工；（3）現(xiàn)場施工工期較短，扣除準(zhǔn)備工作時間，基本上兩天就能完成一只垂直頂升立管的施工；（4） 工程投資和施工措施費用較單點式取水頭低等特點。

立管采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、分節(jié)制作、分節(jié)頂進(jìn)，每根立管由九節(jié)管節(jié)組成，兩端設(shè)連接內(nèi)法蘭，用螺栓相互連接。待管頂升完成后，為保證其安全穩(wěn)定，先挖除表面2m左右的淤泥，然后水下鋪一層軟體排，最后在其周圍拋石防沖刷保護(hù)。

垂直頂升立管上部安裝鋼制取水頭部，采用水上吊運沉放法。取水頭預(yù)先在陸上制作好，運至吊裝海域，然后將取水頭安裝在立管上，取水頭與立管頂頭管節(jié)通過法蘭連接。

4 盾構(gòu)法取水隧道施工工藝

盾構(gòu)的基本原理，是一個有形的鋼制組件沿隧道設(shè)計軸線，一邊開挖土體而一邊向前推進(jìn)。盾構(gòu)機是隧道施工對地層開挖及襯砌拼裝管片起支護(hù)作用的施工設(shè)備，其基本構(gòu)造由盾構(gòu)殼體及開挖機構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、襯砌拼裝系統(tǒng)等三部分組成。實際工程中采用橫斷面尺寸比隧道尺寸稍大，但是外形與隧道橫斷面相同的鋼筒壓入地中構(gòu)成掘削機的保護(hù)外殼，外殼與殼內(nèi)各類作業(yè)空間及機械的組合體稱為盾構(gòu)機。

盾構(gòu)的施工過程是這樣的：首先向開挖面掘進(jìn)相當(dāng)于裝配式襯砌寬度的土體；利用安裝在支承環(huán)內(nèi)的千斤頂，使盾構(gòu)機推進(jìn)到挖好的空間內(nèi)；在盾尾的保護(hù)下利用液壓舉重拼裝器拼裝隧道襯砌，重復(fù)上述過程，不斷向前掘進(jìn)和拼裝隧道襯砌，直至整條隧道完成。隧道襯砌采用高精度鋼筋混凝土預(yù)制管片，縱向和環(huán)向均采用單排直螺栓聯(lián)結(jié)，管片縱縫和環(huán)縫止水均采用水膨性橡膠帶止水。

垂直頂升法施工位于已建好的隧道內(nèi)部，將預(yù)制管節(jié)連接在隧道頂升開口管片上，將開口管片與管節(jié)采用特殊螺栓連接好，管節(jié)就位后，拆去開口管片與隧道襯砌的連接螺栓，依靠液壓油缸把管節(jié)垂直向上頂出，按由里向外的順序逐根頂出。每條垂直頂升管節(jié)由1節(jié)底座管節(jié)、1節(jié)頂頭管節(jié)和7節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)組成，并配有一個轉(zhuǎn)向法蘭。在每節(jié)的頂升過程中，管節(jié)之間采用螺栓連接，使管節(jié)垂直頂入土中，待工程全部完成后，在水下揭去開口管片，安裝上取水頭，形成取水通道。

垂直頂升施工工藝主要流程為：隧道底部加固→止水裝置安裝→立管頂升施工→底座管節(jié)連接處理→鋼取水頭安裝→水下保護(hù)拋石整平等。

5 結(jié)語

盾構(gòu)法取水隧道目前在國內(nèi)是首次運用于核電廠的取水方案設(shè)計，為了保證盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，我司在委托專業(yè)設(shè)計院設(shè)計盾構(gòu)取水隧道的基礎(chǔ)上，還根據(jù)設(shè)計院建議，另行委托有盾構(gòu)隧道設(shè)計與軟件分析經(jīng)驗的高校，對三門項目盾構(gòu)取水隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，通過建立三維實體模型對三門電廠盾構(gòu)法隧道垂直頂升立管結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行了深入研究，補充和完善了盾構(gòu)法隧道的計算分析，主要研究內(nèi)容為：取水隧道垂直頂升段內(nèi)力分析、縱向不均勻沉降內(nèi)力分析以及相應(yīng)的管片強度計算和裂縫開展計算等，使取水盾構(gòu)隧道的設(shè)計更加合理。開創(chuàng)了國內(nèi)核電行業(yè)內(nèi)采用大直徑盾構(gòu)法隧道、大口徑垂直頂升取水設(shè)計的先例，對于后續(xù)濱海核電項目海水冷卻水取水設(shè)計具有良好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 尤雪娣. 三門核電一期工程海水取、排水工程初步設(shè)計說明書[R]. 上海：華東電力設(shè)計院 2008

[2] 上海市基礎(chǔ)工程有限公司，《三門核電一期取水涵管工程盾構(gòu)施工方案》[R]